定常条件下的大气边界层ppt课件

1、第四章第四章 定常条件定常条件下的大气边境层下的大气边境层第一节第一节 近地层类似实际近地层类似实际第二节第二节 全边境层类似实际全边境层类似实际第三节第三节 谱类似谱类似第四节第四节 半阅历实际在边境层研讨中半阅历实际在边境层研讨中的运用的运用补充：类似实际补充：类似实际n我们现有的根本物理知识对一些边境层我们现有的根本物理知识对一些边境层情况还缺乏以获得以根本原理为根底的情况还缺乏以获得以根本原理为根底的一些规律一些规律n然而，边境层观测结果经常出现可重现然而，边境层观测结果经常出现可重现的一些特征，我们对有关变量可以研讨的一些特征，我们对有关变量可以研讨出一些阅历关系式出一些阅历关系式n

2、类似实际的最大优点就是为组织和组合变类似实际的最大优点就是为组织和组合变量提供了一种方法，而且也对如何设计实量提供了一种方法，而且也对如何设计实验方案以获得最多信息提供了指点验方案以获得最多信息提供了指点n类似实际的思想是把变量组成无量纲组类似实际的思想是把变量组成无量纲组n量纲分析方法量纲分析方法实际参考流膂力学课本实际参考流膂力学课本n这个方法协助我们从所选的变量中建立这个方法协助我们从所选的变量中建立无量纲组无量纲组n无量纲组的正确选择将能提供无量纲组无量纲组的正确选择将能提供无量纲组之间的普遍适用的阅历关系，即研讨的之间的普遍适用的阅历关系，即研讨的结果时时处处都适用，这是人们所希望结

3、果时时处处都适用，这是人们所希望的的研讨类似实际共分研讨类似实际共分4 4步：步：1 1选择推测那些与研讨对象相关的选择推测那些与研讨对象相关的变量变量2 2根据根据实际把变量组合成无量纲组实际把变量组合成无量纲组3 3进展实验，或者从早期的资料中积累进展实验，或者从早期的资料中积累 有关数据以决议无量纲组的值有关数据以决议无量纲组的值4 4对资料进展曲线拟合或者求回归方程，对资料进展曲线拟合或者求回归方程，以描画这些无量纲之间的关系以描画这些无量纲之间的关系第一节第一节 Monin-ObukhovMonin-Obukhov类似性实际类似性实际根底：恣意变量的无量纲组合。根底：恣意变量的无量纲

4、组合。原那么：任何一个近地层湍流规律，其中的变量均原那么：任何一个近地层湍流规律，其中的变量均以适当的特征尺度做无量纲化，无量纲化方程将仅以适当的特征尺度做无量纲化，无量纲化方程将仅仅是稳定度因子仅是稳定度因子z/Lz/L的普氏函数关系。的普氏函数关系。NoteNote：1 1无量纲化过程应具有相应的物理意义；无量纲化过程应具有相应的物理意义；2 2无量纲化应与被无量纲化特征量具有一样量无量纲化应与被无量纲化特征量具有一样量级。级。常用的特征尺度变量常用的特征尺度变量长度尺度：长度尺度：z z：高度；：高度；zizi：边境层高度；：边境层高度；z0z0：地表粗糙长度；：地表粗糙长度；L L：O

5、bukhovObukhov尺度；尺度；速度尺度：速度尺度：u u* *：摩擦速度；：摩擦速度；w w* *：对流速度尺度；：对流速度尺度；G G：地转风速；：地转风速；U U：地面风速；：地面风速；温度尺度：温度尺度：* *：温度特征尺度；：温度特征尺度；湿度尺度：湿度尺度：q q* *：湿度特征尺度；：湿度特征尺度；时间尺度：时间尺度：f f：无因此频率；：无因此频率；类似尺度的分类类似尺度的分类动量、热量、动量、热量、水分、物质交换水分、物质交换过渡层过渡层局地自在对流层局地自在对流层边境层顶边境层顶大气边境层的概念化分层大气边境层的概念化分层冠层冠层或粘性次层或粘性次层混合层混合层近地面

6、层近地面层1大气边境层最下面部分，遭到下垫面影响最直接，大气边境层最下面部分，遭到下垫面影响最直接，气候要平日变化大。气候要平日变化大。2气压梯度力、柯氏力、分子粘性应力都可以忽略气压梯度力、柯氏力、分子粘性应力都可以忽略不计，湍流应力为主要作用力。风向随高度近乎不不计，湍流应力为主要作用力。风向随高度近乎不变，气流构造不受柯氏加速度影响。变，气流构造不受柯氏加速度影响。3各种湍流通量传输随高度变化而数值近乎不变，各种湍流通量传输随高度变化而数值近乎不变，称常通量层书称常通量层书P115。4层内风速、温度和其他气候要素场随高度变化非层内风速、温度和其他气候要素场随高度变化非常猛烈。常猛烈。近地

7、面层近地面层(surface layer)(surface layer)主要特征主要特征一一 中性层结中性层结( (一一) )平均变量梯度风、温、湿平均变量梯度风、温、湿 近地层大气中，风速、温度、湿度等气候近地层大气中，风速、温度、湿度等气候要素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定要素随高度迅速变化，其变化特征与大气稳定度有关。度有关。 1 1 风速梯度和廓线风速梯度和廓线n类似实际的一个重要运用就是近地层的平均风廓线类似实际的一个重要运用就是近地层的平均风廓线n由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它已由于近地层风速廓线容易在地面观测，所以人们对它已进展了广泛研讨进展了广泛研讨n通常

8、近地层风速随高度大致通常近地层风速随高度大致n 上呈对数变化，接近地面，上呈对数变化，接近地面，n 摩擦曳力士风速变为零摩擦曳力士风速变为零中性条件下的风速廓线中性条件下的风速廓线n估计平均风速为地面以上高度的函数估计平均风速为地面以上高度的函数n中性层结条件下，热力因子不作用，影响大气运动的中性层结条件下，热力因子不作用，影响大气运动的主要参量是地表应力主要参量是地表应力( (用摩擦速度用摩擦速度 表示表示) )和高度和高度Z Z。( )U z*u /2*sswuu 运用运用实际，可确定函数实际，可确定函数F F的方式为：的方式为：*uUzkZ 对上式积分，可得：对上式积分，可得：*0ln(

9、)uZUkZ其中其中k k为冯为冯卡门常数，在卡门常数，在0.35-0.40.35-0.4之间。之间。中性层结条件下的近地层风廓线典型方式中性层结条件下的近地层风廓线典型方式对数风廓线。对数风廓线。空气动力粗糙度空气动力粗糙度Z0n空气动力粗糙度长度空气动力粗糙度长度 定义为风速为零的高度定义为风速为零的高度n虽然空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙元虽然空气动力粗糙度长度并不等于地面上各个粗糙元的高度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度之间的高度，但是这些粗糙元和空气动力粗糙度长度之间却存在一一对应的关系却存在一一对应的关系n换句话说，对特定的地表而言，空气动力粗糙度长度换句话说，对特定

10、的地表而言，空气动力粗糙度长度一旦被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力而发一旦被确定，它就不会再随风速，稳定度或应力而发生变化生变化n假设地面粗糙缘由诸如植被的高度和范围，围墙兴建，假设地面粗糙缘由诸如植被的高度和范围，围墙兴建，房屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那么空气房屋建造，森林砍伐等等而发生变化的话，那么空气动力粗糙度也会随之发生变化动力粗糙度也会随之发生变化0z不同地不同地表粗糙表粗糙度取值度取值海面的粗糙度海面的粗糙度n一些学者一些学者Chamberlain,1983Chamberlain,1983提出用某些粗糙因子提出用某些粗糙因子之间的阅历关系来估计粗糙度。对海面，沙地和

11、雪面之间的阅历关系来估计粗糙度。对海面，沙地和雪面等，等，n对于海洋，对于海洋，2*0cuzg0.016c0*1(lnln)Uzzuk解 释例题，在中性层结条件下，测出例题，在中性层结条件下，测出Z Zz1z1处，处，u uu1u1， Z Zz2z2处，处， u uu2u2，其中，其中z2z1,z2z1,由观由观测资料求测资料求 和和Z0Z0*u位移间隔位移间隔d dn在陆地上，假设各个粗糙元被组合得非常严密，在陆地上，假设各个粗糙元被组合得非常严密，那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了那么这些粗糙元顶部的作用就好是一个位移了的地面的地面n例如在一些林冠中，树木密集，从空中俯视，例如在一些

12、林冠中，树木密集，从空中俯视，树木密实得就像个固体树木密实得就像个固体n在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的效在有些城市中，房屋极其密集，也有类似的效应，也就是说，平均屋顶的程度面对气流起的应，也就是说，平均屋顶的程度面对气流起的作用就像一个位移了的地面一样作用就像一个位移了的地面一样位移间隔位移间隔n气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就像在气流越过林冠层时风速为高度的函数，稠密林冠层的作用就像在实践地面以上位移了某一间隔的地面那样。实践地面以上位移了某一间隔的地面那样。 粗糙度长度粗糙度长度0zn林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大林冠顶部以上，风速廓线随高度是对数增大n

13、对静力中性条件来说，我们能确定位移间隔对静力中性条件来说，我们能确定位移间隔d和粗糙度长度和粗糙度长度 ，所以：所以：n我们已规定在我们已规定在 时时n知在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结果，利知在静力中性条件下三个或三个以上高度上的风速观测结果，利用计算机处置的诸如马夸特算法或高斯用计算机处置的诸如马夸特算法或高斯-牛顿一类的非线性回归牛顿一类的非线性回归算法，很容易求出算法，很容易求出 三个参数三个参数0z*0lnz duUkz0zdz 0U *0,uzd2 2 温度和湿度梯度温度和湿度梯度中性层结：中性层结：0 z 湿度廓线湿度廓线*|uws*qqzkZ*00ln()qZq

14、qkZ二二 非中性条件下的平均廓线非中性条件下的平均廓线n 建立起由 描画的动量通量与垂直速度廓线的关系式n这些表达式叫做通量-廓线关系式，这些关系是可以推行运用到非中性近地层n在非中性条件下，除了摩擦速度和高度Z外，我们可以估计浮力参数和地面热通量是外加的两个有关变量。*01ln()Uzukz*u运用运用实际，可确定函数实际，可确定函数F F的方式为：的方式为：L L，首先由，首先由ObukhovObukhov提出提出19461946，中性层结条件下，中性层结条件下，湍能浮力产生项和切变产生项相等的高度。湍能浮力产生项和切变产生项相等的高度。wguL3*000Lz不稳定不稳定中性中性稳定稳定 对上两式进展积分,并利用边境条件：时，z=Z0 ,u=0，得到非中性层结下近地层风、温廓线的普通表达式如下:n根据外场实验数据，根据外